瞬變電磁法運用V8 探測深部采空區的效果★

溫來福 孟慶鑫 郝海強 劉志遠 劉國輝

(1.石家莊經濟學院，河北 石家莊 050031;2.河北省地質調查院，河北 石家莊 050081)

瞬變電磁法是當前物探工作中的主要探測方法，它以電阻率差異為其地球物理前提條件，主要用于尋找低阻目標物，研究淺至中深層地電結構，因屬純二次場觀測，受地形影響較小，工作效率高，并具有較高的抗干擾能力和分辨率等優勢，從而被廣泛用于油氣勘探、鉆石(金伯利巖)勘探、地層基底研究(深度達到2 000 m)、地下水勘察、地熱勘察、礦產勘探和地下采空區探測，另外還有監控、工程及純科學研究領域。V8Symtem2000.net 多功能網絡電法儀(簡稱V8 電法儀)是加拿大鳳凰地球物理有限公司自1975年以來開發的第八代地球物理數據采集系統。它可支持電法勘探的方法有:激發極化(IP)、可控源音頻大地電磁(CSAMT)、大地電磁法(MT，AMT)、時間域瞬變電磁法(TDEM)、頻率域電磁法(FDEM)和直流電阻率法(DR)等。但在我國目前主要應用于CSAMT 和MT 或AMT 方法。為此，我們以山西長治王莊煤礦采空區探測為例，利用V8 電法儀開展TDEM 法，通過對采集數據，資料處理與分析解釋，較為準確地圈定出測區深部采空區分布范圍，其探測成果與鉆探結果是相吻合的。

1 測區地質、地球物理特征

1.1 地質概況

該測區位于長治屯留縣，屬黃土丘陵地形，勘探區地勢平坦，均由第四系黃土層所覆蓋，東、北部地勢較高、南部低，區內最高點位于勘探區北部邊界附近，標高為+928.5 m，最低點位于勘探區西南部絳河附近，標高+900.4 m，相對高差為28.1 m。測區內地層由老到新為:奧陶系中統峰峰組、石炭系中統本溪組、石炭系上統太原組、二疊系下統山西組和下石盒子組、二疊系上統上石盒子組和石千峰組、第四系。

主要開采含煤層是15-3號煤層，位于石炭系上統太原組下段，煤層埋藏深度為422 m～618 m，煤層厚度為0 m～2.45 m，平均厚度為1.51 m。含夾矸1 層～3 層，厚度變化大，層位較穩定，為全區局部可采煤層。

1.2 地球物理特征

根據現成測試的結果得到本測區主要巖層的電性參數如表1所示。從表1 可看出，第四紀覆蓋層與堆積層，砂巖與泥頁巖，煤層圍巖之間均存在著明顯的電性差異，這為利用瞬變電磁法查明地下煤礦采空區提供了必要的物質基礎。

表1 巖層的電性特征 Ω·m

2 野外工作布置

1)方法和原理。利用不接地回線向地下發射脈沖式一次電磁場，用線圈觀測由脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，通過對其進行處理與分析可獲取地下電性結構的分布，得到地下目標地質體的相關信息。2)測線布置。本次工作共布置8 條測線，編號為S1，S2，…，S8，測線方向為南北方向，測線間距為30 m，測點間距為5 m。S1 線～S4 線位于測區西部，S5 線～S8 線位于測區東部，測線長度從200 m～235 m 不等，測區北部有采煤巷道且在測區內地面有明顯裂縫(見圖1)。3)方法的選擇。本次勘探的采空區目標層是15-3號煤層，埋藏深度為422 m～618 m，為深度采空區勘探，再根據區內地形、地質條件，確定本次瞬變電磁法勘探野外數據采集選擇大定源回線裝置進行野外數據采集。大回線源瞬變電磁法只在回線中間1/3～2/3范圍內進行觀測，并逐框移動，這樣大大的提高了TEM 法的工作效率。4)儀器及測量參數選擇。本次工作使用加拿大鳳凰地球物理有限公司生產的V8 電法儀，該儀器屬網絡通訊方式的電磁場綜合觀測系統，其主要性能指標為:工作頻率0.007 Hz～8 192 Hz，工作溫度-20 ℃～60 ℃，工作濕度5%～100%。

在既能滿足探測深度又能保證采集資料的質量的情況下，確定本次勘探的發射電流大于7 A，供電電壓大于84 V，發射頻率為5 Hz，發射線圈500 m×500 m，利用等效面積100 m2的專用接收線圈，觀測場量為二次感應電磁場的磁垂直分量。

3 資料處理及解釋

本次瞬變電磁數據處理使用Winglink 軟件進行數據處理。將原始數據導入后進行數據編輯、數據加密和數據平滑(見圖1);然后需要建立正、反演文件等;在室內數據處理的基礎上，繪制瞬變電磁各測線電阻率反演斷面圖。

結合已知的地質鉆孔和資料，對每條測線反演結果進行了解釋，現以S1 剖面為例(見圖2)。S1 剖面從北向南布置，共48 個測點，全長235 m，地形起伏不大，高差在5 m 以內，地表有明顯的裂縫。由圖2 可以看出，上部90 m 等值線呈起伏不均勻分布，電阻率小于40 Ω·m，為第四系上部耕植土、砂土及砂質粘土的電性反映;在90 m～300 m 等值線成層均勻變化，電阻率小于180 Ω·m，推斷是太原組砂巖和泥質頁巖的電性反映;在300 m～500 m 為山西組地層，也是本次勘探目的層。在剖面的0 m～10 m，深度500 m;45 m～68 m，深度400 m;120 m～148 m，深度500 m 以及163 m～190 m，深度450 m 處呈現局部高阻異常體，電阻率大于300 Ω·m，推斷為采空區，在剖面的75 m～85 m 以及195 m～208 m 處，電阻率與圍巖有明顯差異，根據本工區的物性資料，推斷為殘留煤柱。后期布于S1 剖面上的驗證孔王-124 在410 m 出現掉鉆和冒落，從而證實了采空區的存在。

圖1 平面推斷解釋圖

結合全區8 條剖面的解釋結果，結合已知鉆孔資料，并且依據采空區在相鄰剖面連續可追蹤的原則，繪出采空區平面分布推斷解釋圖，其成果如圖1 所示，共圈定出4 條東西走向的深部煤礦采空區。

4 結語

通過對山西王莊煤礦采空區的探測和資料的解釋分析，查明了地下采空區的位置并圈定了地下采空區的邊界，為以后的防治和治理工作提供了依據。通過以上理論探討和實例，可以說明用V8 電法儀器探測深部采空區可以取得很好的效果。

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